Die Bewegung verändert die Fußmaße

Sicherheitsschuhe spielen eine wichtige Rolle bei der Prävention von Verletzungen am Arbeitsplatz. Aber sie werden auch mit arbeitsbedingten Schmerzen und Verletzungen im unteren Rückenbereich, im Knöchel, im Vorfuß und an den Mittelfußköpfen in Verbindung gebracht. Diese Schmerzen scheinen zudem mit Konzentrationsschwächen, sprich erhöhter Unfallgefahr und der Produktivität in Zusammenhang zu stehen. Sicherheitsschuhe sollten deshalb nicht nur vor konkreten Verletzungen schützen, sondern durch ihre Konstruktion und Passform Schutz und Komfort verbinden. Die Vermeidung von negativen Auswirkungen auf die Füße und die Körperhaltung ist umso wichtiger, als Sicherheitsschuhe während des ganzen Arbeitstages getragen werden. Im Gegensatz zu normalen Konfektionsschuhen oder Sport- und Freizeitschuhen, bei denen weiches Material manch kleineres Passformdefizit ausgleichen kann, können Sicherheitsschuhhersteller keine Abstriche bei den sicherheitsrelevanten Teilen wie der Sohle, der Zehenschutzkappe oder dem Obermaterial machen. Diese Sicherheitsaspekte verändern die Schuheigenschaften in Bezug auf die Schuhmasse und Sohlenflexibilität, die direkt den Komfort und den Gang beeinträchtigen können. So kommt der Entwicklung eines passform- und fußgerechten Leistens besondere Bedeutung zu, insbesondere bei körperlich anstrengenden Arbeiten mit hoher Belastung der Füße. Schon 2005 hatte der Sicherheitsschuhhersteller Elten aus Uedem zusammen mit der Universität Tübingen die Füße seiner Kunden mit statischen Scans vermessen lassen. In einer Feldstudie wurden Fußdaten von 1.000 Industriearbeitern aufgenommen. Auf der Basis dieser Daten wurde die Schuhserie Ergo-Active entwickelt, die ein neues Passformkonzept einführte. Dabei wurden drei unterschiedliche Fußtypen definiert:

1. Kräftige Füße – charakterisiert durch kurze Zehenlänge, breite Ballen- und Fersenweite und steilen Ballenwinkel
2. Durchschnittlich breite Füße – mit langen Zehen, mittlerer Ballen- und Fersenweite und flachem Ballenwinkel
3. Schmale Füße – mit mittlerer Zehenlänge, schmaler Ballen- und Fersenweite und mittlerem Ballenwinkel.

Gemeinsam mit der TU Chemnitz wurde zudem ein neues, kamerabasiertes und dazu noch mobiles Messsystem entwickelt. Durch eine Analyse wurden sechs wesentliche Fußmaße ermittelt, welche die Fußform ausreichend genau erfassen. Diese werden vom Scanner vor Ort beim Kunden sekundenschnell erfasst und mit den Schuhmaßen für die Zuordnung von Fuß und Schuh abgeglichen.

Doch wie verändert sich der Fuß in der Bewegung, wenn er beim Laufen, Bücken oder Knien seine Form verändert? Bietet der Schuh auch dann noch genügend Raum oder wird der Fuß an entscheidenden Stellen eingeengt? Diesen Fragen gingen Prof. Stefan Grau und Dr. Bettina Barisch-Fritz in einer biomechanischen Studie nach. In einer Doktorarbeit an der Universität Tübingen waren bereits die Möglichkeiten eines von der Chemnitzer Firma Vialux neu entwickelten dynamischen 3D-Scanners untersucht worden. Dieser ermöglicht es per Streifenlichtprojektion den Fuß in der Dynamik dreidimensional zu vermessen. Dadurch können die klassischen Messwerte am Fuß sowie Volumenveränderungen in der Schrittabwicklung genau erfasst werden. Im Auftrag von Elten vermaßen Grau und Barisch-Fritz mit ihrem Team 2017 mit dieser Technik über 1000 Füße von Beschäftigten in der Automobilproduktion und an Industriearbeitsplätzen. Dass sich die Fußmaße in der Dynamik verändern, war bereits von anderen Studien bekannt. Doch bislang war es kaum jemandem gelungen, diese Veränderung auch hinsichtlich der für die Leistenkonstruktion wichtigen Maße messtechnisch ausreichend genau zu erfassen. Und es stellte sich natürlich die Frage, ob diese möglichen Veränderungen der Fußproportionen in der Dynamik überhaupt relevant für die Leistenkonstruktion sind. Dies zu klären war die Aufgabe der Studie, die in einer Kooperation der Universitäten Göteborg, Tübingen und Karlsruhe durchgeführt wurde. Die folgenden Forschungsfragen standen dabei im Mittelpunkt:

1. Gibt es einen Unterschied zwischen statischen und dynamischen Belastungen der Füße der Arbeitnehmer?
2. Werden anthropometrische Variablen wie Alter oder Body-Mass-Index, statische Fußmaße und Geschlecht eine Beziehung zum Unterschied zwischen statischer und dynamischer Belastung haben?

Für die Untersuchung wurde am jeweiligen Standort des Unternehmens der dynamische Fußscanner aufgebaut. Von den 1024 Arbeitern an verschiedenen Industriestandorten in Deutschland, die an der Studie teilnahmen, konnten 912 Teilnehmer in die Bewertung einbezogen werden. Die Zahl der Probanden umfasste beide Geschlechter und ein breites Spektrum bezüglich Alter (16 – 74 Jahre), Gewicht (44 – 151 kg), Körpergröße (1,53 – 2,02 m) und BMI (16,48 – 47,05 kg/m2). Von jedem Arbeiter wurde ein Fuß zufällig ausgewählt und zunächst statisch in Teilbelastung gemessen. Anschließend wurde dynamisch während des Gehens mit einer vordefinierten Geschwindigkeit gemessen. In der Dynamik wurden die zuvor definierten Fußmaße wie zum Beispiel Ballenweite, Ballenumfang, Ballenwinkel und Fußlänge während fünf Stadien der Schrittabwicklung gemessen. Dies waren der erste Fersenkontakt, der erste Kontakt der Mittelfußköpfchen, der erste Kontakt der Zehen, das Abheben der Ferse und der Abstoß über die Mittelfußköpfchen. Die statischen und dynamischen Fußmorphologien wurden mit dem DynaScan4D-System aufgezeichnet. Das System basiert auf dem Prinzip der vollflächigen Streifenlicht-Projektion mit fünf Scanner-Einheiten und erfasst die Fußmaße in der Bewegung dreidimensional. Die Abtastfrequenz lag bei 205 Bilder pro Sekunde.Die Auswertung der Daten zeigte, dass mehrere Fußmaße relevante Unterschiede zwischen dynamischer und statischer Belastung zeigten. Interessanterweise hatten sich die meisten Längen-, Breiten-, Höhen- und Winkelmaße während der dynamischen Belastung im Vergleich zur statischen Belastung vergrößert. Allerdings gingen die Umfangsmaße in der Dynamik zurück. Die erste der beiden Forschungsfragen konnte also mit Ja beantwortet werden. Bezüglich der zweiten Frage, ob denn Alter, Geschlecht‚ Body-Mass-Index oder statische Fußmaße Vorhersagen über die Veränderungen in der Dynamik erlauben, erbrachten die Messungen keine Nachweise. Keine der getesteten Variablen konnte die Unterschiede zwischen den zwei Belastungssituationen prognostizieren. Auch das Geschlecht sagte keine Unterschiede voraus.

Was bedeuten die Ergebnisse für die Leistenkonstruktion? Hierzu musste zunächst definiert werden, wie groß die Änderungen der einzelnen Messparameter sein müssten, damit eine Anpassung der Leistenkonstruktion gerechtfertigt wäre. Hier orientierten sich Grau und Barisch-Fritz am Längenmaß nach dem französischen Stich, bei dem eine Schuhgröße einer Längenänderung von 6,66 Millimeter entspricht. Eine halbe Schuhgröße (3,33 mm) werde im Allgemeinen im Hinblick auf die Fußlängenmaße als relevant angenommen. Daher sei ein Unterschied zwischen der statischen und dynamischen Fußlängenmaße, der den Wert einer halben Schuhgröße hat, als relevant für die Konstruktion von Schuhen anzusehen. Auch in Bezug auf die Schuhweite orientierten sich die Wissenschaftler am französischen System. Hier beträgt der Schritt von einer Schuhgröße zur nächsten in Bezug auf den Ballenumfang 5 mm. Das Verhältnis von Ballenumfang und Ballenweite ist meist als 60:40 genormt. Wenn man also davon ausgehe, dass auch hier eine halbe Schrittweite relevant ist, so sei ein Unterschied zwischen statischer und dynamischer Belastung von 2,5 mm für Umfangsmaße und 1 mm für Weitenmaße relevant. Als Maß für die Fußlänge wurden die Strecken vom hintersten Punkt der Ferse zum medialsten bzw. lateralsten Punkt der Mittelfußköpfchen definiert, da nach der Literatur keine Verlängerung zwischen den Mittelfußköpfchen und den Zehenendgliedern zu erwarten war. Wie zu erwarten, hatte sich die Fußlänge in der Dynamik verändert. Die Verlängerung betrug jedoch weniger als eine halbe Schuhgröße. Sie wurde deshalb als nicht relevant für die Schuhkonstruktion erachtet. Die Beachtung eines gewissen Schubraums nach vorne ist Standard bei der Schuhauswahl und wird auch bei der Leistenkonstruktion traditionell berücksichtigt. Bezüglich der Weitenmaße an der Ferse und am Ballen zeigte sich jedoch, dass der Unterschied zwischen statischen und dynamischen Belastungen durchaus relevant ist. Die Werte betrugen mehr als eine halbe Schuhgröße in der Weite. Die Fersenverbreiterung erklären die Autoren durch die Kompression des darunterliegenden Fettpolsters der Ferse. Die Verbreiterung des Vorderfußes könne durch die Relativbewegung der Mittelfußgelenke unter Belastung erklärt werden. Dies hätten auch andere Studien bestätigt. In Bezug auf die Schuhkonstruktion und Passform könnte, so die Autoren, ein zu schmaler Vorfußbereich im Schuh kritischer für die Fußstrukturen sein als eine zu schmale Ferse. Überraschende Ergebnisse zeigten sich bei den Umfangmaßen. Die gingen nämlich in der Dynamik zurück. Dieser Rückgang, so die Autoren, könnte eine Folge von Kontraktionen der intrinsischen und extrinsischen Muskeln beim Gehen sein. Das Ausmaß der Reduktion lag auch über einer halben Schuhgröße, weshalb die Autoren folgerten, dass auch diese Maßveränderungen Auswirkungen auf die Schuhkonstruktion haben sollten. Als Fazit der Studie halten Stefan Grau und Bettina Barisch-Fritz fest, dass die Weiten- und Umfangmessungen nicht bei allen, aber für einige Maße praktische und relevante Veränderungen zwischen statischer und dynamischer Belastung zeigten. Diese Änderungen sollten beim Leisten- oder Schuhdesign berücksichtigt werden. Nachdem es bei der Veränderung zwischen Statik und Dynamik keine Unterschiede zwischen den Geschlechtern, dem Alter oder der Körpermasse gab, könnten die Änderungen am Leisten bezüglich der gefundenen Parameter ohne Berücksichtigung dieser Punkte erfolgen. In der Studie wurde auch untersucht, ob es bei den unterschiedlichen Fußtypen, die nach der ersten, statischen Messung ermittelt wurden, Unterschiede gab. Die einzelnen Fußtypen hatten jedoch keinen Einfluss auf die Veränderungen in der Bewegung, so dass die dynamischen Anpassungen für alle drei Fußtypen gleich sein konnten.

Die Ergebnisse der Studie wurden von den Wissenschaftlern, den Experten von Elten und dem Leistenhersteller Fagus intensiv diskutiert. Darauf basierend wurde das bereits bestehende Passformenkonzept mit den unterschiedlichen Fußtypen fortentwickelt und ausgebaut. Die sich verändernden Proportionen des Fußes in seiner Bewegung wurden berücksichtigt, indem man die verschiedenen Leistentypen weiter modifizierte. „Die Leisten wurden nur leicht verändert, denn die Studie hatte gezeigt, dass die damals ermittelten Fußmaße weitgehend stimmen“, erklärt Stefan Grau. Es galt also vor allem, die neuen Erkenntnisse in das bewährte Leistenkonzept zu integrieren. Da sich bei allen Fußtypen die Weitenmaße ähnlich verändert hatten, wurden die Leisten für die Fußtypen überarbeitet. Sie wurden im Vorfuß etwas breiter und die verwendeten Stahlkappen wurden entsprechend angepasst. „Das Problem sind die Zehenschutzkappen. Die dürfen nicht nachgeben“, erläutert Lutz Hentrey, Produktmanager bei Elten, die Aufgabenstellung. Um der Tendenz zu breiteren Füßen gerecht zu werden, wurde in den Typen 1 und 2 eine jeweils um eine Nummer größere Schutzkappe eingesetzt – in Typ 3 wurde die bisherige Kappe als Standard beibehalten. Die Träger können jetzt aus zwei verschiedenen Kappenweiten und drei Laufsohlenarten auswählen. Der Volumenverringerung in der Dynamik begegnete man bei Elten mit zwei Strategien: „Dort wo es erlaubt war, haben wir flexiblere Materialien eingesetzt, die sich ausdehnen können und so die Veränderungen des Fußes mitmachen“, erklärt Lutz Hentrey. Der Sicherheitsschuh kann sich so an bestimmten Stellen in einem festgelegten Maße weiten, an anderen Stellen mehr Halt geben. „Darüber hinaus“, so Hentrey, „haben wir Schnürsysteme entwickelt, die den Vorfuß nicht einengen, aber für einen festen Fersensitz und einen festen Halt im Mittelfuß sorgen.“ Auf diese Weise soll sichergestellt werden, dass die Volumenschwankungen des Fußes sich nicht negativ auf die Gang- und Standsicherheit auswirken.

Mit der Weiterentwicklung der Leistenformen und der Schuhe wurde auch die Auswahl an Sohlen erweitert. Die Sohlen der ersten Generation wurden vor allem für Arbeitsplätze entwickelt, wo sich stehende und gehende Tätigkeiten die Waage halten und auch Drehbewegungen am Arbeitsplatz eine wichtige Rolle spielen. Eine zu starke Rutschhemmung würde hier die Drehbewegung zu stark hemmen und für unnötige Belastungen sorgen. Damals hatte man sich deshalb die Dreh- und Stehbewegungen der Arbeiter am Arbeitsplatz angeschaut und die Sohlenform, vor allem die Drehpunkte an der Sohle, entsprechend dieser Bewegungen entwickelt. Die Sohlenform und das Profil sollten die nötigen Drehbewegungen nicht behindern, sondern unterstützen und so Überlastungen vermeiden. Zusätzlich zu den Indoor-Sohlen gibt es die Schuhe nun auch mit einer zweischichtigen PU Laufsohle für den In- und Outdooreinsatz sowie mit einer Sohle aus grobstolligem Gummi/PU mit einer Profiltiefe von 4,5 – 5 mm, die auch für Outdoor-Tätigkeiten geeignet ist, wenn ein sehr robuster Schuh gefordert ist.

Der für die Einführung der Ergo-Active-Serie entwickelte Fußscanner kann auch nach der Überarbeitung eingesetzt werden. Nach wie vor werden die Füße vermessen und ein Schuh aus dem Programm nach Größe und Fußtyp empfohlen. „Die Rückmeldungen auf das neue System sind sehr positiv“, berichtet Lutz Hentrey. „Es gab keine Umstellungsprobleme“. Und wie bisher haben die Kunden die Möglichkeit, ein Messgerät zu kaufen und so die Füße ihrer Mitarbeiter selber zu vermessen oder die Dienste von Elten in Anspruch zu nehmen. Dann kommen Mitarbeiter von Elten mit ihrem Expertenwissen in Sachen Fußergonomie und Fußgesundheit und vermessen die Füße der Mitarbeiter. Zudem hat Elten ein sogenanntes Orthoteam mit ausgebildeten Orthopädieschuhmachern bzw. -technikern, die bundesweit unterwegs sind. Sie können bei den Messungen auch die Füße untersuchen und die getragenen Schuhe fachgerecht begutachten und so eventuell nötigen orthopädischen Versorgungbedarf erkennen. Von den vielen Sicherheitsschuh-Serien bei Elten ist Ergo Active die einzige Serie, die mit drei Typen und einer Fußvermessung angeboten wird, um die bestmögliche Passform für die Träger zu bieten. Dennoch spielte die Serie seit der Einführung vor über zehn Jahren eine wichtige Rolle für Elten: „Durch das Fußtypensystem haben wir gut Fuß gefasst im Markt“, erklärt Lutz Hentrey, „da es nichts Vergleichbares gab“. Doch noch nicht überall ist angekommen, wie wichtig die Passform von Sicherheitsschuhen ist. „Noch immer fehlt bei vielen Firmen und deren Einkäufern das Verständnis für unterschiedliche Fußtypen und Weiten oder dass Damen und Herren unterschiedliche Leisten benötigen“, so Lutz Hentrey. Hier gebe es noch viel Überzeugungsarbeit zu leisten.